Водород

Водород — самый простой, но в то же время и один из самых удивительных химических элементов. Его атом состоит из ядра, содержащего один протон, и одного единственного электрона:

Этот самый маленький и легкий атом не имеет аналогов в периодической системе. Он способен терять электрон, превращаясь в катион Н⁺, и в этом отношении похож на щелочные металлы, которые также проявляют степень окисления +1. С другой стороны атом водорода может и присоединять электрон, образуя при этом анион Н ^–, электронная конфигурация которого — такая же, как у атома гелия. Этим водород напоминает галогены, анионы которых имеют электронные конфигурации соседних благородных газов. Таким образом, водород обладает двойственной природой, проявляя как окислительную, так и восстановительную способность. По этой причине в одних случаях его помещают в подгруппу щелочных металлов, в других — в подгруппу галогенов (рис. 1).

Изотопы водорода, в отличие от других элементов, имеют собственные названия: ¹H — протий, ²H — дейтерий и ³H — тритий. Протий и дейтерий стабильны; в природе наиболее распространен протий: на него приходится 99,985 % всех атомов водорода, в то время как на дейтерий, называемый также «тяжелым водородом» — оставшиеся 0,015 %. Тритий радиоактивен и имеет период полураспада 12,3 года.

— Почитать о жизненном цикле звезд на сайте «Элементы»

Основные запасы водорода на Земле сконцентрированы в воде, природном газе и нефти. Его массовое содержание в земной коре достигает 0,15 %, с учетом гидросферы — около 1 %.

Водород как простое вещество — газ без цвета и запаха, плохо растворим в воде, в 14,5 раз легче воздуха. При температуре –252,8 °С газообразный водород превращается в жидкость, также бесцветную. Молекула водорода двухатомна: H₂.

В сложных веществах водород всегда одновалентен. Для него наиболее характерна степень окисления +1:

Однако, в соединениях водорода с менее электроотрицательными элементами, чем он сам, например, с металлами, водород имеет степень окисления –1:

Уникальное электронное строение атома водорода обуславливает существование водородной связи, за счет которой полярные молекулы могут выстраиваться в длинные цепи и сети, а разные фрагменты больших органических молекул — притягиваться друг к другу. Для возникновения водородной связи необходимо, чтобы атом водорода был связан ковалентно с более электроотрицательным атомом, имеющим хотя бы одну неподеленную электронную пару. Это имеет место в том числе и в молекулах галогенводородов, например HF (рис. 3). Ковалентная связь между водородом и фтором осуществляется за счет общей электронной пары, образованной электроном водорода и одним из семи электронов фтора. Эта связь очень полярна, поскольку атом фтора имеет высокую электроотрицательность: электронная пара сильно смещена в сторону фтора. Ядро водорода, в буквальном смысле «оголившееся» после смещения единственного электрона ко фтору, готово притягиваться к любым отрицательным зарядам, находящимся поблизости. Этими зарядами как раз и обладают неподеленные электронные пары соседних молекул HF.

Таким образом, каждая молекула HF ядром атома водорода притягивается к предыдущей молекуле, а электронными парами атома фтора — к последующей. Подобные «молекулярные цепи» характерны также для воды, сероводорода, спирта, аммиака и других веществ.

Методы получения водорода

C + H₂O → CO + H₂

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂

2H₂O 2H₂ + O₂

Однако, такой метод является очень дорогостоящим из-за высокого расхода электроэнергии.

Одним из перспективных направлений получения водорода является также газификация биомассы — отходов сельскохозяйственной деятельности, бытового мусора, опилок и пр.

Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂

Химические свойства водорода

Ca + H₂ → CaH₂
2Na + H₂ → 2NaH

H₂ + S → H₂S

H₂ + Cl₂ → 2HCl
2H₂ + O₂ → 2H₂O

CuO + H₂ → Cu + H₂O

Несколько слов о водородной энергетике

Последние десятилетия водород активно рассматривается как перспективное топливо, способное со временем встать на замену традиционному бензину и дизельному топливу. Водород имеет более высокую теплоту сгорания — 120 МДж/кг, в то время, как бензин — всего 42 МДж/кг. Кроме того, единственным выхлопным газом при сгорании водорода являются водяные пары, которые вступают в естественный природный круговорот воды. А, как известно, посредством электролиза из воды можно снова получить водород. Этот замкнутый цикл, лежащий в основе идеи водородной энергетики, позволяет назвать водород одним из самых экологичных видов топлива (рис. 4).

• потребность в огромных энергозатратах для получения водорода электролизом воды;
• необходимость использования специальных сверхгерметичных емкостей для хранения и транспортировки водорода, т. к. в силу малого размера молекул он обладает высокой проникающей способностью;

• необходимость создания развитой сети заправочных станций в каждом населенном пункте и вдоль крупных автомагистралей: водород — самый легкий и наименее плотный газ, поэтому автомобилю с водородным двигателем придется заправляться намного чаще, чем в автомобилям с бензиновым и дизельным двигателями.

Тем не менее, многие производители автомобилей сделали первые шаги в направлении водородной энергетики. В частности, уже несколько лет выпускаются так называемые гибридные автомобили, снабженные как традиционным бензиновым двигателем, так и электродвигателем, работающим благодаря водородному топливному элементу.

Водородный топливный элемент во многом напоминает обычный аккумулятор: в нем энергия химической реакции преобразуется в электрическую энергию. Принцип его действия показан на рис. 5.

Водород из специальной герметичной емкости подается в топливный элемент, состоящий из двух электродов (анода и катода) и протонообменной мембраны — материала, пропускающего только протоны. На аноде, изготовленном с использованием благородного металла (например, платины или ее сплавов), молекулы водорода распадаются на атомы и теряют электроны. Освободившиеся при этом ядра водорода, т. е. протоны, начинаются двигаться к катоду сквозь мембрану. Электроны же направляются как бы «в обход» мембраны, поскольку их она пропускать не будет. Поток электронов и представляет собой электрический ток, который потребляется электродвигателем автомобиля. Миновав двигатель, электроны поступают на катод. Там же, в свою очередь, распадаются на атомы молекулы кислорода, поступающего в топливный элемент из атмосферы. Таким образом, на катоде происходит одновременная встреча атомов кислорода, протонов и электронов: это приводит, очевидно, к образованию молекул воды, которые благополучно выводятся в за пределы элемента.

2H₂ + O₂ → 2H₂O,

но не в виде взрыва, а в спокойном, управляемом режиме. Схематичное изображение автомобиля с топливным элементом приведено на рис. 6.

Автомобили-гибриды могут использовать бензиновый двигатель при движении за городом, на больших магистралях, где концентрация выхлопных газов мала и не наносит значимого ущерба окружающей среде. При движении в черте города, где количество транспорта значительно возрастает, а скорости становятся небольшими, автомобиль переключается с бензинового двигателя на водородный топливный элемент и работает как электромобиль, при этом не выделяя никаких выхлопов, кроме воды. Это особенно оценят жители домов, расположенных вдоль наиболее загруженных улиц, где часто возникают пробки.

Вероятно, дальнейшее развитие водородной энергетики напрямую связано с успехами в области изучения управляемого термоядерного синтеза. Как вы думаете, почему? ;-)